Il sistema CRISPR-CAS9 è nato circa 10 anni, si basa sulla proteina Cas9 che è una sorta di forbice molecolare in grado di effettuare specifiche modifiche al genoma di una cellula, animale, vegetale o umana. Originariamente poteva svolgere un’unica funzione: rimuovere o sostituire i geni in una sequenza genetica. Successivamente gli sviluppi scientifici hanno consentito di attivare un’altra funzione che ha permesso di modificare le espressioni geniche attivandole o disattivandole, senza rimuoverle dal genoma. Ciascuna di queste funzioni fino a ieri, tuttavia, poteva essere attivata solo indipendentemente.
Ora, gli scienziati dell’Università del Maryland College of Agriculture and Natural Resources, hanno sviluppato CRISPR-Combo, un metodo per modificare contemporaneamente più geni e l’espressione genica nelle piante. Questo nuovo strumento, secondo i ricercatori, ha molte potenzialità e può consentire di dar vita a molteplici combinazioni di ingegneria genetica in grado di rendere le colture più resistenti e più produttive.
“Le possibilità sono davvero illimitate in termini di tratti che possono essere combinati”, ha affermato Yiping Qi, professore associato presso il Department of Plant Science and Landscape Architecture. “Ma ciò che è veramente eccitante è che CRISPR-Combo introduce un livello di sofisticazione nell’ingegneria genetica nelle piante che non abbiamo mai avuto prima”.
I vantaggi di manipolare più di un gene superano di gran lunga i benefici di una qualsiasi manipolazione individuale. Basta pensare alla possibilità di riuscire a rimuovere il gene che rende il grano suscettibile alla ruggine e alla possibilità di attivare contemporaneamente i geni che accorciano il ciclo di vita della pianta e aumentano la produzione di semi. Si potrebbe produrre rapidamente grano resistente alla ruggine prima che la malattia abbia la possibilità di fare troppi danni. Ed è proprio l’applicazione di questo tipo di ingegneria che Qi e il suo team hanno voluto testare in diverse fasi di sperimentazione.
I ricercatori avevano precedentemente sviluppato nuovi metodi CRISPR per regolare l’espressione genica nelle piante e per modificare più geni contemporaneamente, tuttavia, per sviluppare CRISPR-Combo, hanno voluto verificare che questi interventi paralleli non avessero conseguenze negative e sono riusciti a dimostrarlo utilizzando cellule di pomodoro e riso.
“Abbiamo dimostrato che potremmo eliminare il gene A e sovraregolare, o attivare, il gene B con successo, senza incrociare accidentalmente e eliminare il gene B o sovraregolare il gene A”, ha detto Qi.
Qi e i suoi colleghi hanno testato CRISPR-Combo sulla famosa Arabidopsis, che viene spesso utilizzata come modello per colture di base come mais e grano. I ricercatori hanno modificato un gene che rende la pianta più resistente agli erbicidi e contemporaneamente hanno attivato un gene che provoca la fioritura precoce. Il risultato è stato una pianta resistente agli erbicidi che ha prodotto otto generazioni in un anno anziché le normali quattro.
In un altro esperimento, il team è riuscito a dimostrare che l’impiego di CRISPR-Combo potrebbe migliorare l’efficienza nella riproduzione delle piante e hanno utilizzato colture di tessuti di pioppi. I programmi di breeding per sviluppare nuove varietà di piante utilizzano generalmente colture di tessuti piuttosto che semi: una pianta può far ricrescere radici e foglie da un singolo stelo piantato nel terreno. Gli scienziati modificano geneticamente le cellule staminali del tessuto vegetale e quando le piante crescono e producono semi, i semi porteranno avanti le modifiche genetiche.
Ma c’è un collo di bottiglia in questo processo perché alcune piante sono più brave a rigenerarsi dalle colture di tessuti rispetto ad altre e in alcuni casi la percentuale di successo è solo dell’1%. Un ostacolo che Qi e il suo team hanno affrontato modificando prima alcuni tratti nelle cellule di pioppo e attivando tre geni che promuovono la rigenerazione dei tessuti vegetali.
Lo studio ha portato anche un’altra evidenza. Attualmente, la coltivazione di piante geneticamente modificate da colture di tessuti richiede l’aggiunta di ormoni che attivano i geni che promuovono la crescita. Il team è riuscito ad abbreviare questo processo nel riso attivando direttamente questi geni con CRISPR-Combo. Questo riso geneticamente modificato non ha richiesto un’integrazione ormonale e le colture di tessuti cresciute con questo metodo innovativo esprimevano più del gene modificato rispetto ai tessuti cresciuti usando gli ormoni. Un processo che Qi ha definito con soddisfazione altamente efficiente.
Ora che il team intende condurre esperimenti su agrumi, carote e patate per testarne l’applicabilità anche in varietà di frutta e verdura e sta lavorando per creare un riso dorato resistente agli erbicidi con un maggiore contenuto nutritivo e un riso rosso con maggiori antiossidanti.
Lo studio è stato pubblicato nel numero di maggio di Nature Plants.
Il progetto è stato finanziato da: NSF Plant Genome Research Program (award nos. IOS-1758745 and IOS-2029889), USDA-NIFA (award nos. 2020-33522-32274 and 2019-67013-29197), USDA-AFRI Agricultural Innovations Through Gene Editing Program (award no. 2021-67013-34554), Maryland Innovation Initiative Funding (award no. 1120-012_2), USDA McIntire-Stennis project (award no. MD-PSLA-20006), NRT-INFEWS: UMD Global STEWARDS through the NSF National Research Traineeship Program (award no. 1828910) and the Foundation for Food and Agriculture Research.
Nell’immagine dell’Università del Maryland, Yiping Qi, professore associato presso il Department of Plant Science and Landscape Architecture.